面向工地作业环境的砌墙机器人研究

张英楠 汪小林 陈 泽 孟 浩 秦 川

1. 上海建工四建集团有限公司 上海 201103;

2. 上海大界机器人科技有限公司 上海 201900

“十三五”时期，世界范围内的科技发展浪潮已逐渐从互联网时代迈向人工智能时代，各行业积极推动智能技术融入产品加工制造过程中，涌现出无人工厂、无人码头、无人驾驶汽车、智能勘探机器人、智能家居设备等多种智能产品，为企业生产及人民生活带来了极大便利[1]。作为长期以来国民经济的支柱产业，建筑业为我国经济持续、健康、稳定发展提供了有力支撑。通过行业从业者多年来的不断探索与不懈努力，我国建造技术已发展成为世界一流水平，完成了多项举世瞩目的“世界工程”。但作为严重高度劳动密集型行业，建筑业生产方式依然比较粗放，管理方式规范性较差，距离高质量、高标准的行业发展要求仍存在较大差距，亟需推动建筑业工业化、数字化、智能化转型升级发展[2-3]。

近些年，随着国家政策的深入落实与实际需求的不断推动，我国建筑机器人研发工作已逐渐开展，包括轻钢龙骨隔墙装配机器人、地板铺设机器人、码砖机器人、瓷砖铺贴机器人等工厂试验型产品[4-6]。然而，由于相关人才缺乏、理论体系不完善、技术水平不成熟等诸多问题，我国建筑机器人的研发工作缺乏实质性进展，仍停留在战略转型升级的起步阶段，缺少受市场广泛认可的建筑机器人现场应用型产品，因此，需要以建筑生产“提质增效”为基本目标，针对现场应用环境的难点问题，开展科学化、系统化的建筑机器人相关研究，并研发相应建筑机器人装备应用产品。

鉴于上述背景，本文以砌墙机器人为研究对象，针对工地现场复杂多变的施工环境，开展了面向现场施工作业条件的砌墙机器人装备研发与自动砌墙技术研究，建立了具有越野性能的砌墙机器人移动系统以及高度智能化的自动砌墙集成系统，研发了砌筑机器人整体装备，并开展了工厂实验室砌筑试验与工地现场样板砌筑试验，验证了砌筑机器人装备在施工现场作业的可行性与适用性。

1 砌墙机器人装备构成

针对施工现场的复杂作业环境，以实现“定位—上砖—抹灰—摆砖”的自动化砌筑全过程为基本目标，本文提出的砌墙机器人装备构成主要分为以下四部分。

1.1 越障移动底盘

砌墙机器人的可移动性是保证其能在施工现场稳定工作的关键性能之一，如何适应施工现场泥泞、坑洼、陡峭的恶劣地面条件以及大量的地面障碍物是工程师设计移动底盘时重点关注的问题。鉴于此，本文提出的砌墙机器人移动底盘采用了多舵轮系统，共有4个舵轮，每侧2个，使用相同的电动机驱动，并利用锂电池为其供能，主要用于负载砌墙机械臂的移动，如图1所示。

图1 多舵轮移动底盘

为了增加越野与避障能力，移动底盘的舵轮使用了充气橡胶轮，与传统的麦克纳姆轮相比，显著提升了克服障碍物干扰的能力，增加了移动敏捷性。此外，移动底盘还使用了差速驱动的控制机制，可使4个舵轮同时全向移动。与Ackermann驱动等其他驱动机构相比，差速驱动可使移动底盘沿任何所需的路径与方向移动，其基本机制主要有以下三点：

1）为了实现原地转弯（零半径转弯），2个舵轮应具有相同的速度，但方向相反。

2）为了沿当前方向线性移动，2个舵轮应具有相同的速度。

3）对于弯曲的运动路径，舵轮的速度是线速度值与角速度值的组合。

经测试，此移动底盘具有越障高度大于4 cm的越野能力，能够满足大多数工地场景下的移动条件。

1.2 自动上砖装置

砌墙机器人自动砌筑过程中，上砖是必不可少的关键动作。为了实现砌筑过程中的自动化上砖，本文提出了包含运输底盘（与上述移动底盘一致，同为多舵轮系统）、2条传送带、激光定位模组等部件的自动上砖与砖块定位系统，以作为砌墙机器人的自动上砖装置，如图2所示。

图2 自动上砖与砖块定位系统

1.3 自动抹灰装置

自动抓取砖块后，砌墙机器人需要进行抹灰工作。本文提出的自动抹灰装置与上述自动上砖装置组合成一个整体，通过人工将砖块放置于传送带上，输送至指定位置后，利用机械臂抓取砖块至砂浆泵出口，使用螺杆式砂浆泵送装置泵送成品黏结砂浆至砖面上，完成自动抹灰动作，如图3所示。

图3 螺杆式砂浆泵送及抹灰装置

1.4 砌墙机械臂

砌墙机械臂是本文提出的砌墙机器人装备核心，负责砖块的自动抓取、自动抹灰与自动摆放。砌墙机械臂采用六轴机械臂，能够实现多自由度的位姿调整，此外，机械手附带2块非真空海绵吸盘，可适应标准尺寸的非空心砌块砖，同时，底部配置了自调平底盘，可实现砌墙机械臂的快速调平与机械手的精准定位。

综上，越障移动底盘、自动上砖装置、自动抹灰装置与砌墙机械臂共同组成砌墙机器人整体装备，如图4所示。

图4 砌墙机器人整体装备

2 砌墙机器人自动砌筑技术

施工现场存在大量的碎片导致计算量增加，而使生产效率降低。为了使机器人能够精确导航至已分配的目标位置，首先需要解决其定位问题。此外，建立砌筑动作自动控制算法是砌墙机器人完成“定位—上砖—抹灰—摆砖”全过程自动砌筑的另一关键。鉴于此，基于上述提出的砌墙机器人整体装备，本文提出了砌墙机器人高精度定位与导航技术以及虚拟砌筑技术，通过内嵌智能控制算法的控制系统，以实现砌墙机器人的自主行走与自动砌筑。

2.1 高精度定位与导航技术

机器人的定位与导航是指机器人在某一未知环境中从某一点开始移动，在移动过程中根据位姿估计与地图进行定位，并构建增量式地图完成路径规划[7]。目前，Slam视觉已成为机器人实现自主移动的基础技术[8]。在砌墙机器人砌筑时，Slam视觉可实时感知机器人位置，使机器人向目标位置自主移动。现有的Slam视觉开源算法包括Gmapping算法、Hector Slam算法与Cartographer算法。其中，Gmapping算法是目前应用最为广泛的二维Slam算法，其利用粒子滤波器实时构建室内地图，在构建小场景地图时所需的计算量较小且精度较高，但随着场景增大，所需粒子增加导致内存与计算量增加，因此，不适合构建大场景地图。此外，Gmapping算法严重依赖里程计，无法适应地面不平坦的区域，难以适用于砌墙机器人施工现场应用环境。Hector Slam算法则无需使用里程计，具备在不平坦区域实现地图构建的可行性。该算法利用已经获得的地图对激光束点阵进行优化，估计激光点在地图中的表示与占据网络的概率，但需要配备高更新频率、测量噪声小的激光扫描仪，并且要求机器人移动始终保持较低速度。Cartographer算法采用目前主流的特征提取、闭环检测与后端优化的三段式Slam框架，利用扫描匹配技术，获得的每一帧激光扫描数据会在最佳估计位置处插入子图中，在生成一个子图后，均会进行一次局部回环，并利用分支定位与预先计算的网格，待所有子图完成后会进行全局回环。该算法避免了里程计依赖与机器人移动速度限制，适用于室外、大场景、不平坦区域的机器人定位与导航。因此，本文将Cartographer算法作为砌墙机器人高精度定位与导航的核心算法。

此外，本文将ROS导航作为砌墙机器人导航系统的基本结构，结合Cartographer算法，ROS导航可根据地图信息与障碍物位置、形状、速度限制、机器人体积等其他参数，自动搜寻机器人高效移动路径，并使机器人自动从给定的地图位置移动到定义的目标点。图5为利用ROS导航控制砌墙机器人自主移动示意。

图5 砌墙机器人自动定位、路径规划与导航

2.2 虚拟砌筑技术

砌墙机器人在开展实际砌筑工作前，需要在软件中完成虚拟砌筑，以模拟实际砌筑路径、砌筑速度与砌筑效果（图6）。本文提出的虚拟砌筑技术是基于Rhino软件建立的，砌砖模型与砌筑路径可在Rhino软件中自动生成，完成自动上砖与抹灰。当砌墙机器人完成一个移动操作时，可根据平铺方向、操作编号与图块大小为下一个平铺位置生成目标点。如果下一个平铺位置在同一行中，则砌墙机器人将根据目标点的位置向前或向后移动。如果当前操作单位是该行的最后一个单位，且砌墙机器人需要切换到下一行，则将生成一系列路点，并自动命令砌墙机器人以相应顺序到达这些路点。其中，分配多个路点可确保砌墙机器人在运动过程中避免途经先前放置的砖块，切换行的移动方向也能够使平铺过程更加流畅与高效。

图6 基于Rhino的砌墙机器人虚拟砌筑

3 工厂实验室砌筑试验

基于上述提出的砌墙机器人装备及其自动砌筑技术，本文开展了工厂实验室砌筑试验，以测试砌墙机器人的基本功能与墙体砌筑质量。砌筑试验将清水砖作为砌筑材料，试砌直墙，试验效果如图7与图8所示。结果表明，砌墙机器人能够实现自主导航与定位、自动抓砖、自动抹灰、自动摆砖的自动化砌筑工作流程，砂浆饱和度实测值达到95%，砌筑墙体平整度与垂直度偏差分别为2.5 mm与3.5 mm，均满足相关施工质量验收规范要求。

图7 砌墙机器人抹灰测试

图8 工厂实验室砌筑试验墙体

4 工地现场样板砌筑试验

基于上述工厂实验室砌筑试验结果，为了进一步测试砌墙机器人在真实施工场景中的适应性与稳定性，在某实际工程的施工现场，开展了工地现场样板砌筑试验。砌筑试验仍以清水砖为砌筑材料，试砌略带弧度的清水墙，现场砌筑过程与样板试验效果分别如图9与图10所示。

图9 砌墙机器人现场砌筑

图10 现场试验砌筑墙体

结果表明，面对施工现场复杂多变的工作环境，砌墙机器人能够实现自动越障移动，并完成自动抓砖、自动抹灰、自动摆砖等一系列自动砌筑动作，同时墙体砌筑质量与工厂实验室测试结果基本保持一致，节省了砌筑人工与时间成本。

5 结语

本文提出的砌墙机器人具备自主移动、自动抓砖等智能化砌筑功能，可实现“定位—上砖—抹灰—摆砖”的全过程自动化砌筑，其砌筑质量满足相关规范要求，砌筑效率较人工相比有所提高，并且能够适应施工现场的复杂场地环境，具有未来市场化推广的可能。